心血管疾病是目前嚴重威脅人類生命安全的幾大疾病之一，具有高致死致殘率。《中國心血管健康與疾病報告2021》推算心血管病患病人數(shù)3.3億，其中腦卒中1300萬，冠心病1139萬，心衰890萬，肺源性心臟病500萬，房顫487萬，風(fēng)濕性心臟病250萬，先天性心臟病200萬，下肢動脈疾病4530萬，高血壓2.45億。而有效和及時的血流動力學(xué)監(jiān)測可以降低死亡率、患病成本和患病風(fēng)險，以挽救患者生命和提高患者生活質(zhì)量。此外，監(jiān)測血液動力學(xué)的設(shè)備還可以指導(dǎo)心血管疾病患者的圍手術(shù)期管理。
目前市場上應(yīng)用于這一目的的產(chǎn)品主要有兩類，一類是在床旁使用的產(chǎn)品，將傳感器通過導(dǎo)管插入動脈，通過有線連接到床旁的顯示器，可用于監(jiān)測血壓，血流速度，溫度等。另一類是基于射頻電感/電容（LC）諧振電路的植入式PA監(jiān)測器，但只能測量壓力。對于不需要長期臥床的患者來說，這些設(shè)備或者是使用不便，或者是功能不全，不能滿足實際監(jiān)測的需要。研發(fā)一種便攜且功能齊全的血流監(jiān)測設(shè)備成為了眾多科研人員的研究方向。
近日，來自韓國科學(xué)技術(shù)院的Kyeongha Kwon教授和他的團隊研發(fā)了一種使用BLE技術(shù)的無電池血流動力學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，有望滿足心血管疾病患者長期監(jiān)測血流狀況的需要?；颊呖赏ㄟ^移動設(shè)備對血流數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，不需要臥床或者專門人員陪同。
圖 血流動力學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示
血流動力學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)主要由植入設(shè)備和可穿戴設(shè)備兩部分組成。
植入設(shè)備由兩個模塊構(gòu)成，如圖1c左側(cè)所示。一部分是處于血管部的傳感模塊，另一部分是位于皮下脂肪和真皮層之間的無線電子模塊。兩個模塊之間通過一根外部絕緣的柔性銅線相連接。
傳感模塊由硅納米膜制成，尺寸僅為3.0 mm × 8.0 mm × 2.3 mm，這是為了方便植入和與其他植入設(shè)備相結(jié)合。模塊上設(shè)置了測量血流量的傳感器（圖2b），測量壓力的傳感器（圖2d）和測量溫度的傳感器（圖2f），用于采集數(shù)據(jù)。
圖 傳感模塊結(jié)構(gòu)圖
無線電子模塊主要用于實現(xiàn)兩項功能。一是為整個內(nèi)部系統(tǒng)供電。由于電池供電的植入物壽命有限，需要通過手術(shù)來更換或給電池充電，且具有一定的風(fēng)險性。因此研究團隊放棄了電池供電的設(shè)計，使用WRT系統(tǒng)來為整個內(nèi)部系統(tǒng)無線供電。（圖3d中的RX線圈）。二是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。體內(nèi)部分傳感器的電阻數(shù)據(jù)由AFE電路進行處理（圖3d中的AFE電路），然后通過BLE無線傳輸?shù)酵獠康娘@示設(shè)備。（圖3d中的BLE SoC）。另外由于兩模塊之間通過柔性導(dǎo)線相連，因此只需要傳感器進入到血管部分，無限電子模塊可以位于體表淺層部分。
圖 無線電子模塊示意圖
可穿戴設(shè)備包含兩個子系統(tǒng)，一個是定制的用戶界面，用于接收植入系統(tǒng)傳出的信號。用戶可以通過任何支持BLE通訊的移動設(shè)備（如手機或平板電腦）來實時監(jiān)控自己的信息。另一部分是外部WPT系統(tǒng)，包括電池、充電電路和發(fā)射線圈（圖1c中的TX線圈）。用于給植入系統(tǒng)供電。用戶可將外部WPT系統(tǒng)放在襯衫或內(nèi)衣的口袋里，保持內(nèi)外線圈對齊，便于供電。
系統(tǒng)的整體運作原理為，WPT系統(tǒng)為植入設(shè)備進行供電，系統(tǒng)啟動。傳感器采集血管內(nèi)血流數(shù)據(jù)，傳輸會無線電子模塊，模塊將數(shù)據(jù)處理后經(jīng)過藍牙傳輸發(fā)送至移動設(shè)備，然后系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)，直到下一個監(jiān)測周期。
此前也有許多研究團隊對可植入無線血流動力學(xué)監(jiān)測設(shè)備進行過研究。本研究的優(yōu)化之處在于，使用了BLE通信取代了傳統(tǒng)的NFC通信，因為BLE有更遠的工作距離。BLE芯片功耗更低，本研究中的系統(tǒng)，在不運行時整體處于睡眠狀態(tài)，僅在監(jiān)測時開啟。并且可以通過系統(tǒng)設(shè)定來調(diào)控采樣周期。根據(jù)測試，這種動態(tài)模式可降低80%以上的能耗。
研究團隊將設(shè)備在人工心臟系統(tǒng)和豬體內(nèi)進行了實驗，并進行了將傳感器附在血管支架上一同進入動物體內(nèi)的測試，實驗得出與臨床血流動力學(xué)監(jiān)測設(shè)備高度一致的數(shù)據(jù)。在未來的研究中，研究團隊會在穩(wěn)定性和生物相容性方面進行深入研究，如控制表面特性的工程方法，如表面電荷、幾何形狀和潤濕性，可以進一步提高長期生物相容性，以克服血液凝固問題。具有功率效率和面積效率的WPT方法可以使設(shè)備植入體內(nèi)深處而不受內(nèi)部功率衰減的限制。
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